Die Simulation von Spritzgussbauteilen ist nur ein Zweig der units AG. An den drei Standorten Au (SG), Zuchwil (SO) und Lustenau (A) bietet das Unternehmen Simulation, Engineering und hochstehende Messtechnik für industrielle Bauteile an. Mit der Verbindung dieser drei Technologien bieten die Experten wertvolle Unterstützung bei der Produktentwicklung.
«Simulation ist nur Theorie; bunte Bilder und Animationen, die kaum etwas mit der Realität zu tun haben.» Dieses Vorurteil bekommt Remo Roth oft zu hören. Als Mitglied der Geschäftsleitung und Verantwortlicher für Simulation beim Messtechnikspezialisten units AG, muss er immer wieder Neukunden von den Vorteilen der Simulation überzeugen. «Ich kenne aber niemanden, der es je bereut hätte, bei uns eine Simulation gemacht zu haben», schmunzelt Roth.
units ist ein Lösungsanbieter für Problemstellungen im Spritzguss, Engineering und industrielle Messaufgaben. Das ursprüngliche Geschäftsfeld der taktilen Messtechnik mit kleinen und grossen Portalmessmaschinen wurde schon früh im Jahr 2006 mit der Computertomografie ergänzt. Später kam der Bereich Engineering hinzu und seit 2012 gehört auch Roth mit der Spritzgusssimulation zum Team.
Technologien für die Produktentwicklung
Diese drei Technologien ergänzen sich sehr gut und können die Produktentwicklung wertvoll unterstützen. Roth: «Das beginnt bei der Simulation, mit der sich das Bauteildesign auf Schwachstellen überprüfen lässt. In dieser frühen Phase lassen sich aber auch schon das Werkzeug und der Spritzprozess optimieren.» Sobald die ersten Bauteile produziert sind, müssen sie ausgemessen und analysiert werden. Mit der Computertomografie sieht man in das Bauteil hinein und erkennt etwa Faserorientierungen bei glasfaserverstärkten Bauteilen oder Lunker in Grösse und Lage.
«Der Spritzprozess ist wie eine Blackbox. Man sieht nicht ins Werkzeug und auch nicht ins Bauteil.»
Remo Roth
Diese Daten lassen sich der Simulation gegenüberstellen – ebenfalls eine Spezialität bei units: «Wir machen viele Rückführungen und Abgleiche mit der Realität. Das heisst, wenn ein Kunde bei uns nach der Simulation eine Computertomografie macht, gleichen wir diese realen Daten mit den Simulationsergebnissen ab. Damit gewinnen wir gemeinsam vertiefte Erkenntnisse und können unsere Simulationsmethoden weiter verfeinern», erklärt Roth.
Im dritten Schritt geht es schliesslich um das Engineering. Finden die Ingenieure Abweichungen bei Bauteilen, geht es darum, ob sich die Bauteilequalität durch Optimierungen am Werkzeug oder am Prozess verbessern lässt. Roth fasst zusammen: «So können wir in einem Regelkreis sehr viele Aspekte für unsere Kunden abdecken und die Korrekturschleifen auf ein Minimum reduzieren.»
Besser früher als später
units analysiert Kunststoffbauteile für viele Branchen, angefangen beim Maschinenbau über den Automobilsektor bis hin zur Pharmaindustrie. Roth: «Das kleinste Bauteil ist in etwa so gross wie ein Granulatkorn. Es sind aber auch viele Bauteile von Haushaltsgeräten, wie etwa Gehäuseteile, mit Abmessungen bis zu 700 × 700 mm.»
Generell stellt der Simulationsexperte einen Trendwechsel fest. Bis vor rund 10 Jahren habe er hauptsächlich Probleme analysiert, das heisst bestehende Werkzeuge, die nicht den Anforderungen entsprachen. «Dort sind die Möglichkeiten für Verbesserungen sehr eingeschränkt. Wir können zwar die Problemursachen aufzeigen, aber aus Zeit- und Kostengründen ist es oft nicht möglich neue Formeinsätze herzustellen», sagt Roth. Das Problem liege oft auch viel weiter vorne im Entwicklungsprozess. Man müsste am Bauteildesign viel verändern und käme dann in Konflikt mit angrenzenden Bauteilen, die ebenfalls verändert werden müssten. Roth: «Schliesslich haben viele meiner Kunden gemerkt, dass es besser wäre solche Analysen in der Entwicklungsphase durchzuführen. Heute finden etwa 90 % unserer Analysen während der Bauteilentwicklung statt.»
«Mit der Simulation sieht man transparent, was zu welchem Zeitpunkt wo und wie abläuft.»
Remo Roth
Hier kommen dann die Simulationsmethoden bei units voll zum Tragen. Für eine frühzeitige Simulation reichen gemäss Roth schon ein 3D-Datensatz des Bauteils und seine Anforderungen: «Man muss sich noch nicht einmal fix für das Material entschieden haben, sondern kann mit einer Auswahl in die Simulation starten. Damit lassen sich schnell Schwachstellen im Bauteildesign aufdecken, wie etwa die Wandstärkenverteilung.» Laut seiner Erfahrung wird die endgültige Bauteilequalität zu 70-80% vom Bauteildesign beeinflusst. Es lohnt sich also hier den Hebel schon frühzeitig anzusetzen, wenn die Möglichkeiten für Anpassungen noch intakt sind.
Simulation ist nicht gleich Simulation
Wenn sich schon am 3D-Modell solche Aussagen treffen lassen, stellt sich die Frage: Warum simulieren Bauteilkonstrukteure ihre Bauteile nicht einfach selbst? Schliesslich gibt es viele Softwaretools, um solche Berechnungen durchzuführen oder auch Plugins für gängige CAD-Systeme.
Roth: «Für ganz einfache und oberflächliche Simulationen mag dies funktionieren, aber für unsere Anforderungen reicht das nicht.» Es gibt drei bis vier grosse Anbieter von professioneller Simulationssoftware, die sich aber teils stark unterscheiden. Einerseits nutzen sie unterschiedliche Lösungsansätze und andererseits greifen sie auf unterschiedliche Materialdatenbanken zurück. Das ist bereits ein erster kritischer Punkt für die Qualität der Simulation.
Einer der wesentlichsten Faktoren ist der Anwender. Roth: «ein Werkzeugbauer hat mit derselben Software wie wir, das gleiche Bauteil simuliert. Wir haben schlussendlich einen zehnfach grösseren Bauteilverzug errechnet als er, was der Realität auch sehr nah kam. Das bedeutet der Einfluss des Anwenders ist nicht zu unterschätzen.»
Wie hoch bei units die praktische Erfahrung der Mitarbeiter eingestuft wird, zeigt sich schon daran, dass sich drei Mitarbeiter ausschliesslich mit Spritzgusssimulation befassen. Es braucht Kenntnisse in der Konstruktion von Bauteilen, Materialkenntnisse, Erfahrungen im Werkzeugbau wie auch im Spritzgussprozess selbst. Letztlich sei die Software nur ein Hilfsmittel und nütze für sich allein genommen nichts.
Eine lohnende Investition
Gemessen an den Konstruktionskosten eines Bauteils und des dazugehörenden Werkzeugs verursacht eine Simulation im Normalfall nur rund 5-10% Mehrkosten. Im Hinblick auf eine gezielte und damit kürzere Produktentwicklung, sowie wegfallenden Korrekturschleifen ist das eine äusserst lohnende Investition.
«Weil wir so viel Know-how in die Simulation stecken, sind wir in der Regel mit 2-3 Durchläufen fertig. Das beginnt mit einer Basis-Simulation, die wir auswerten und mit dem Kunden besprechen. Im nächsten Schritt optimieren wir, wenn möglich, das Bauteil, das Werkzeug und den Prozess und machen einen zweiten Durchlauf. Anschliessend gibt es vielleicht noch Feineinstellungen, mit denen wir noch einen weiteren Durchlauf simulieren und dann sind wir fertig», fasst Roth zusammen.
Die Ingenieure fassen ihre gewonnenen Erkenntnisse in einem kompakten Bericht zusammen und geben konkrete Optimierungshinweise auf die Bauteil- und Werkzeugkonstruktion, sowie die Prozessparameter. Sie können aber nicht nur Problemstellen aufzeigen, sondern auch durch ihre ganzheitliche Erfahrung und externen Partnerschaften Hilfestellungen für Gesamtlösungen bieten.
Gemeinsam zum Ziel
Dennoch sind die Vorbehalte gegenüber der Simulation noch recht gross und bisweilen auch stark branchenabhängig. So ist beispielsweise in der deutschen Automobilbranche Spritzgusssimulation seit Jahren Standard. Laut Roth wird hier fast jedes Bauteil simuliert. In der Schweiz habe die Simulation nach wie vor einen eher schwierigen Stand: «Viele Kunden, denen wir Spritzgusssimulation anbieten wollen, antworten uns, das mache der Werkzeugbauer. Doch dieser ist einerseits fachlich der falsche Ansprechpartner und auch zeitlich ist das im Entwicklungsprozess viel zu spät. Mir ist es am liebsten, wenn der OEM mit seiner Entwicklungskompetenz zu uns kommt und zu Besprechungen den Spritzgiesser und den Werkzeugbauer dazu holt. So können alle Ihre Anforderungen und Bedenken miteinbringen und zu einem optimalen Ergebnis gelangen.»
Autor
Thomas Meier
Kontakt
units OST AG
CH-9434 Au (SG)
info@units.ch
www.units.ch